Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При этом образуются кристаллы.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Кафедра автомобильный сервис

Контрольная работа по дисциплине

«Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Вариант №29

Выполнил:

Студент гр. ЗАТуд-116

Борисов А.С.

Принял:

Картонова Л.В.

г. Владимир 2017

Введение

Материаловедение– это наука, изучающая и устанавливающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами современных машиностроительных материалов, а также о методах изменения этих свойств.

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Ускорение развития машиностроения во многом зависит от успехов в создании и использовании эффективных и ресурсосберегающих материалов и технологий. Совершенствование производства, выпуск современных машиностроительных конструкций, машин невозможны без дальнейшего развития производства металлических сплавов, которые в настоящее время являются основными материалами машиностроения. В зависимости от назначения к сплавам предъявляются различные требования. Получение тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь строение зависит от характера предварительной обработки. Поэтому между всеми характеристиками существуют определенные связи: между составом и строением и между строением и свойствами.

Современное машиностроение отличается постоянно растущей энергоемкостью, а также тяжелыми условиями эксплуатации машин и механизмов (крайне низкие или очень высокие температуры, вибрации, радиационные излучения, кислотные или щелочные среды и прочие). Подобные условия эксплуатации машин предъявляют к материалам повышенные требования. Чтобы обеспечить эти требования, было создано много сплавов с использованием различных металлов.

В промышленности широко применяют стали, которые обладают высокой конструктивной прочностью, а также сплавы, остающиеся прочными при высоких температурах, не теряющими вязкость при очень низких температурах, коррозионно стойки в агрессивных средах и обладающие прочими физико-химическими свойствами.

Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация и гетерогенное образование зародышей.

Переход металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. При этом образуются кристаллы.

При сближении атомов (конденсация пара) происходит перераспределение зарядов и силы притяжения начинают преобладать над силами отталкивания, так как одноименные заряды стремятся удалиться, а разноименные - сблизиться. Поэтому атомы стремятся притянуться друг к другу и занять положение наиплотнейшей упаковки, которое нарушается в жидкостях их соударениями в процессе тепловых колебаний. Местами на мгновение возникают упорядоченные группы атомов (ближний порядок), которые тут же разрушаются.

Дальнейшее охлаждение жидкости ослабляет соударение атомов и силам притяжения удается упаковать их плотнейшим образом. Возникает дальний порядок – кристаллическое состояние. Металл уплотняется, запасенная в нем свободная энергия F снижается, т.е. согласно второму началу термодинамики, он переходит в более устойчивое состояние.

Математически это выражается так: F = U – TS,

где F – свободная энергия, U – внутренняя энергия системы, S – энтропия (энтропия пропорциональна вероятности S = k∙lnP, k – постоянная Больцмана, Р - вероятность состояния), T – абсолютная температура.

При температуре Т₁ свободная энергия в твердой фазе меньше (рис.1.1), чем в жидкой, а следовательно, выгоднее твердая фаза, и металл кристаллизуется. При Т₂ – наоборот, идет плавление. При Т_кр оба процесса уравновешены. Для кристаллизации необходимо переохлаждение ∆Т₁, а для плавления - перегрев ∆Т₂.

Температура Т_кр и есть равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

При охлаждении расплава теплота Q₁ рассеивается в воздух. При Т₁ возникает некоторое переохлаждение ∆Т₁ и начинается кристаллизация. При этом выделяется некоторое количество теплоты кристаллизации Q₂. Если Q₂ ‹ Q₁, то охлаждение продолжается, ∆Т возрастает, кристаллизация ускоряется до тех пор, пока Q₂ не станет равным Q₁; т.е. пока отвод тепла компенсируется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплоты кристаллизации. И на кривой охлаждения появится горизонтальная площадка, Чем быстрее ведут охлаждение, тем интенсивнее идет кристаллизация и тем ниже площадка и больше переохлаждение (∆Т₃ › ∆Т₄). Температура, при которой практически начинается кристаллизация, может быть названа фактической температурой кристаллизации.

Рис.1.1. Изменение энергии Гиббса F (свободной энергии) металла

в жидком и твердом состояниях в зависимости от температуры

(Т_кр – температура, при которой происходит кристаллизация)

Рис.1.2. Кривые охлаждения

Разность между теоретической и практической температурами кристаллизации называется величиной или степенью переохлаждения.

Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении центров кристаллизации - зародышей, второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров (рис.1.3). Возникающие мельчайшие кристаллы неустойчивы и сразу же распадаются, чтобы возникнуть в другом месте. Крупные – устойчивы и могут расти даже при небольшом переохлаждении.

Рис.1.3. Процесс кристаллизации

а)зарождение б)

центров кристаллизации рост кристаллов

По мере развития процесса кристаллизации в нем участвуют все большее и большее число кристаллов. Поэтому процесс вначале ускоряется, пока в какой-то момент взаимное столкновение растущих кристаллов не начинает заметно препятствовать их росту; рост замедляется, тем более что и жидкости, в которой образуются новые кристаллы, становится все меньше. Пока кристалл окружен жидкостью, он часто имеет правильную форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается, внешняя форма кристалла оказывается зависимой от условий соприкосновения растущих кристаллов. Скорость всего процесса кристаллизации количественно определяется двумя величинами: скоростью зарождения центров кристаллизации (ч.ц., мм^-3∙с^-1) и скоростью роста кристаллов (с.р., мм/мин или мм/c).

Графически изменения величин ч.ц. и с.р. в зависимости от переохлаждения представлены на рис.8. При теоретической температуре кристаллизации значения ч.ц. и с.р. равны нулю и процесс кристаллизации идти не может. Эти зависимости выражаются кривыми с максимумом. С увеличением переохлаждения значения ч.ц. и с.р. возрастают, достигают максимума и затем понижаются; при больших величинах переохлаждения практически падают до нуля.

Рис.1.4. Скорость зарождения центров кристаллизации (ч.ц.)

и скорость роста кристаллов (с.р.) в зависимости

от степени переохлаждения

Поэтому для быстрого зарождения большого числа мельчайших центров нужно переохлаждение большее, чем для быстрого роста уже имеющихся кристаллов. Максимум на кривой ч.ц. сдвинут вправо по сравнению с максимумом на кривой скорости роста.

Таким образом, при медленном охлаждении возникает малое переохлаждение, следовательно – мало число центров, но достаточно быстрый рост кристаллов (сплав I, рис.1.4), ведущий к крупному зерну. А при быстром охлаждении – большое переохлаждение и большое число центров, поэтому кристаллы растут медленно, и образуется мелкозернистая структура (сплав II, рис.1.4). Следовательно, процессом кристаллизации можно управлять.

Гетерогенное образование зародышей

Самопроизвольное образование зародышей может происходить только в высокочистом жидком металле при больших степенях переохлаждения. Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, например, неметаллические включения и т.п., которые всегда присутствуют в расплаве. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче будет зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения, такие как нитриды и оксиды, кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами при затвердевании кристаллов – модификаторы I рода. В качестве модификаторов при модифицировании стали применяют алюминий, ванадий, титан; алюминиевых сплавов - ванадий, титан, цирконий. Иногда используют растворимые в жидком металле модификаторы II рода: для стали используют редкоземельные элементы; для алюминиевых сплавов – литий, натрий, калий. Данные модификаторы, адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, снимают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост зерен.